直流稳压电源及漏电保护装置

1、2013年全国大学生电子设计竞赛直流稳压电源及漏电保护装置（l题）【高职高专组】利用lm358和pmos管irf9540设计一种超低压差稳压电源电路。电路器 件选用常规器件，成本低。结构简单。本电路包括主线性变换电源电路、显示控 制电路和漏电保护控制电路三部分。其中主线性变换电源电路基于vldo原理设计，调整管采用pmos管irf9540。压降可以达到0.2v。功率显示电路采用液 晶，由单片机控制。漏电保护控制电路采用单片机控制，对高低电位分别采用 max4173和运放组成电流采样电路，由单片机控制继电器控制电源开关o文章 的最后提出系统的软件设计方案，设计了各个功能模块的软件流程图。关键词：

2、vldo单片机电流采样电路i1系统方案21.1 线性直流稳压电源系统的论证与选择 21.2 电流检测系统的论证与选择 31.3 漏电保护系统的论证与选择 52单元电路设计62.1 线性直流稳压电源62.1.1 线性直流稳压电源原理图 62.1.2 线性直流稳压电源原理分析 62.2 电流检测系统72.2.1 显示系统电路原理图 72.2.2 显示系统电路原理分析 72.3 漏电保护系统82.3.1 漏电保护系统电路原理图 82.3.2 漏电保护系统电路原理分析 83系统软件设计 83.1 主程序流程图 103.2 显示流程图 113.3 电压电流检测流程图 114测试方案与测试结果124.1

3、测试条件与仪器124.2 测试方法124.3 测试结果及分析13附录1 : pcb图14附录2:源程序161系统方案本系统主要主线性变换电源电路、 显示控制电路和漏电保护控制电路三部分。，下 面分别论证这3个模块的选择。1.1 线性直流稳压电源系统的论证与选择方案一：低压差稳压电路%。流吃放大器图1低压差稳压电路采用pnp型功率管作调整管，并且不需要驱动管。可大大降低输入-输出压差。满 载时输入-输出压差的典型值小于500mv,轻载时仅为1050mv。但低压差线性稳压器 有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流id较大。满载时若pnp管的b值为1520倍，则ldo的id = (5%7%

4、)io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进 一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。方案二：准低压差集成稳压电路准低压差集成稳压电路它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。但其容量可比低压差稳压电路用得小，对电容的等效用联电阻(esr)要求较低。10方案三：超低压差稳压电路pmos图3超低压差稳压电路采用p沟道功率场效应管 mosfet来代替pnp型功率管作为调整管，mosfet 本身还带保护二极管（vd）。p沟道mosfet属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板 小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低 输入-输

5、出压差，还能在微封装下输出更大的电流。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 电流检测系统的论证与选择方案一：低端电流检测法i.图4低端电流检测法该电路虽然体积小、电路简单且很容易采用一个基本的同相增益级来实现。但是 需要排布从地至负载的返回接线，增加了额外的电阻且有几种故障状态是低端检流电路 检测不到的，这会使负载处于危险的情况。方案二：传统高端检测法图5传统高端检测法采用差分运放做增益放大并将信号电平从高端移位到参考地。vo=irs*rs ;r1=r2=r3=r4该方案已广泛应用于实际系统中，但该电路输入电阻相对较低，等于r1、 输入端的输入电阻一般有较大的误差值、要求电阻的匹配度要高，以保

6、证可接受的 cmrr。任何一个电阻产生1%变化就会使cmrr降低至u 46db;0.1%的变化使cmrr达 到66db, 0.01%的变化使cmrr达到86db。高端电流检测需要较高的测量技巧，这促 进了高端检流集成电路的发展。而低端电流检测技术似乎并没有相应的进展。方案三：max4173高端电流检测法source0 to +28v+3vtd+28v_ iload电exseto load &attery图6 max4173高端电流检测法输出电压与检流电阻的关系式为：vo=gain*rsense*iload;gain= b*rgd/rg1 gain通过以上计算公式可看出，cmrr由内部集成检流电

7、路的工 艺决定（典型 值90db）,不再受外部电阻的影响。且器件的一致性好、极好的温漂特性、体积小、低 功耗、使用方便。综合以上三种方案，选择方案三。1.3 漏电保护系统的论证与选择方案一：漏电保护系统图7漏电保护系统使用了直流三端可调组件lm317配以12v变压器，让电压可以在113v1415v之 间连续可调，这样就解决了以上问题，满足了实验需要。利用lm317组件有过热过流自保 护功能，只需再设置短路声光报警功能，便可提示学生及时关闭电源，进而排除实验故障。 利用本设计改进的稳压电源，由于采用了集成元件，使其内部结构简洁、易维修，且性能稳 定、使用方便。故采用该方案。2单元电路设计2.1

8、线性直流稳压电源2.1.2线性直流稳压电源原理分析该电路由tl431提供2.5v的基准电压，采用p沟道功率场效应管mosfet来代 替pnp型功率管作为调整管，mosfet本身还带保护二极管（vd）。r4, c3组成积分电 路延缓跳变电压。c1, c2, c5, c6起滤波作用。采用p沟道功率场效应管 mosfet 来代替pnp型功率管作为调整管，mosfet本身还带保护二极管（vd）。p沟道mosfet 属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极 性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入 -输出压差，还能在微封装下输出更大的 电流。2.2 电流检测系统2.2

9、.1 显示系统电路原理图dsi3g2pipe ipl 4pl 5 pl6pl 7xi vccivc( 2rstsclk总 i/op2 3 al ip2 4 ai2p2 5 aj3p2 物 ai4p2 7 a 15o oopnirxdpi 2 txdp i 2 intop3 3 intip5 4 m3j3 stiim 6 wkpl r rdp2 li asp2 i a9p2 2 a10xta14x i 2rstplh), ado 川 hadi 田 2/ad2 p( 3/ad3ad4 p0sad5 p 6? a %po 7 ad7图9显示系统电路原理图2.2.2 显示系统电路原理分析max 417

10、3的工作原理如图6所示。方框内的部分是该芯片的内部结构,其中a1 和a2是两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提高小电流信号的 测量准确度;q1和q2是两个三极管；comp是一比较器；rsence是电流采样电阻，采用 热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变 的电路。其工作原理详述如下：假定电流是从左向右（如图1中110ad方向所示）流过电流采样电阻rsence,通过 一电阻rout接地。这样，运放a1工作，产生电流lout从q1的发射极流出。而此时运放 a2是截止的，没有电流从 q2流出。a1的负输入端（-）电位为：vpower=i1oa

11、d x rsence,a1的开环增益使其正输入端（+）与负输入端（-）%相同的电位。故rg1的压降为：iloadx rsence经过计算，电压/电流转换的比例 p由下式给 出：p=vout/iload=rsencex （rout/rg1）根据上式rsence取较小的值。通过（rout/rg1）把比例p设置为一个合适的值。对 于小电流，可以获得较大的输出测量电压 vout,避免前述直接测量电流信号太小的缺点； 对于较大的电流，又不会对电路的带载能力产生较大的影响。在电路的具体应用中，电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求out端的输出电压 vout(vrg - 1.5v)out端的输出电流i

12、outw 1.5ma液晶显示器件lcd的显示原理是：在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿 着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使 得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显 示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指 挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控 制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。2.3 漏电保护系统2.3.1 漏电保护系统电路原理图10漏电保护系统电路原理图2.3.2 漏电保护系统电路原理分析电阻ri与三极管v

13、q3组成过流保护环节。输出电流过大时，取样电阻ri上的电压大于0.7v,vq3导通，迫使调整管基极电压 vbe降低，直到关闭电源输出。r4=0.7/kic。其中，lc为输出电流，k为最大过流系数，通常取值约 15 r7=(vcc-uce3)/ie3 = vrg/ic3,限制ic3不宜过大，以免vq3过流损坏。3系统软件设计采用数据口和单片机的双向口p0 口直接相连。因为液晶显示模块的控制由cpu控制，他们需要同时读写内存，cpu选用常用的stc12c5a60s2,液晶模块为hitachi 公司ks0108即(hd61202)液晶控制器的单 5v供电的128x64点阵液晶。利用 stc12c5a

14、60s2控制液晶显示器，由于它内部有8k字节的flash编程和只读存储器(perom,用户编制的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以存 储在里面，免去了扩展外部存储器的麻烦，使得stc12c5a60s2单片机为核心的控制系 统电路更简单8。因此十分适用于液晶显示。液晶显示模块的设计具备了很强的通用性， 可以被广泛应用到各种系统中。目前系统一般为3v电平或5v电平系统，因此液晶显示模块的设计也考虑到了，所以采用了5v电平。液晶显示模块硬件结构框图如图3.4所示。外部控制器将欲显示的数据写入双口ram, cpu则不断扫描内存，根据内存中的数据进行相应的处理，不断刷新液晶显示屏上的

15、显示。综合考虑液晶和系统操作的时 序，stc12c5a60s2单片机运行在12mhz时钟下。外部控制器的数据、地址、控制总线通过接插件引入液晶显示模块。因为双口 ram 的输入输出为ttl电平12,因此作为5v的系统，地址和控制总线可以直接引入。而 数据总线因为是8漏极的双向i/o 口，每个引脚可以吸收8个ttl输入。因此如果直接 与数据相连，在双口 ram输出数据的时候电平会是弱低，使得输出不能正常的工作， 因此必须加如8个上10k的拉电阻，这样才能拉高电平，使数据口正常输出。但是由于 液晶显示器和cpu的接口线比较长，cpu不能正常的驱动液晶显示器，因此设计一个 总线驱动器，采用74lls

16、245进行总线电平转换。这样，显示器就可以正常的工作了。单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、i/o设备访问形式控制该液晶显示模块。单片机 stc12c5a60s2和液晶显示器的接口电路如图3.4所示。 该图采用间接访问方式，单片机通过 p2.4 口控制csa; p2.3 口控制csb,以选通液晶 显示屏上各区的控制器 hd61202;同时单片机stc12c5a60s2用地址p2.1作为r/w信 号控制数据总线的数据流向；用地址 p2.0作为d/i信号控制寄存器的选择；e信号由单 片机的p2.2 口产生；另外单片机的复位引脚直接由p2.5控制；从而实现了 stc12c5a60

17、s2对内置hd61202图形液晶显示器模块的电路连接。电路中lcd电源控制端vo是用来调节显示屏灰度的，调节该端的电压，可改变显示屏字符、图形的颜色 深浅。单片机对液晶显示模块的操作可分为两部分，即左半屏和右半屏操作。3.1主程序流程图图11主程序流程图113.2显示流程图123.3电压电流检测流程图图12显示流程图图13电压电流检测流程图4测试方案与测试结果4.1 测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路与系统原理图完全相同，硬件电路无虚焊。各模 块均正常工作。道示波器、数字万用表、大功率滑动变阻器、计算机、usb转用口通信线。4.2 测试方法首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查

18、电路无误后，开通电源。其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读 数并进行比较，列表。（读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳 定性。负载调整率的定义为电源在输出负载电流变化时，其提供稳定输出电压的能力。所需的设备和连接方式与测电源调整率相似， 唯一不同的是需要精密的电流表和与待测 电源的输出串联。测试步骤如下：待测电源在正常输入电压及负载情况下热机稳定后， 测量正常负载下的输出电压值，再分别于低（min）、高（max）负载下，测量并记录其输出 电压值（分别为vmax与vmin）。负载调整率通常以正常

19、的固定输入电压下，由负载电流变化所造成电源输出电压偏差率的百分比。待测电源在正常输入电压和负载情况下热机稳定后，分别于min （低）nomal（通常），和max（高）输入电压下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常在一正常之固定负载（nommal load）下，看具输入电压变化所造成电源输出电压偏差率 （deviation）的百分 比。4.3 测试结果及分析表1基本要求1所狈u得电路数据rl5q5q5q5q5q输入电压7v10v15v20v25v输出电压5.01v15.01v4.99 v5.01v5.01v 1电压调整率符合符合符合符合符合基本要求2所狈u得电路数据rl5q5q5q5q5q输入

20、电压5.5v5.8v6v6.5v7v输出电压5.01v5.01v4.99 v5.01v5.01v 1电压调整率符合符合符合符合符合基本要求3所狈u得电路数据5q500 q输入电压7v7v输出电压r 5.00v5.00 v电压调整率符合符合基本要求4所狈u得电路数据输出电压4.995v5.001v5.000v4.999v5.005v输出电流1.001a0.773a0.675a0.899a0.012a输出功率4.99w13.87w3.38w4.49w0.06w 1发挥部分1所狈u得电路数据rl漏电动作电 流动作前rl两端电压动作后rl两端电压20q30ma4.85 v0v发挥部分2所狈u得电路数据

21、理论漏电动作电流实际漏电动作电流误差值30ma29.8ma99.30%发挥部分3所狈u得电路数据接入功耗20ma综上所述，本设计达到设计要求16附录1:原理图r110ku1a0kr4-05654sw- pb1con 1vccp35vccj：15p11r16tl4 311000q1j2 con 1 n1r5 0.05)yvcc2 10kr11u2!550io de5vccd 1 d4jdqx1 c3rsop101p10p112p11p134p156resett0p355rxdtxdp12p13p14p15p16p17int 0int 1rst9p300p366p377p167p178p311p3

22、22p333181920y112m218 dtr12100ks12j3con 9r7 100r13100r1410kr6 100k341 23sw- pbivccp00p01p02p03p04p05p06p07eav pale ppsenp27p26d2con 4t1wrp25p24rdx2x1gndstc89c52p23p22p21p20vcc4039 p0c238 p01337-p02r36 p03535 p0有33 p06b32 p03130v vcc2928- p2726 p2525 p2424 p2323 p2221 p20j5100ucon 8j7con 88p101p37vcc1

23、04c2口91图aod z杳朗20附录3:源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit dq=p3a7;/ds18b20 与单片机连接口sbit rs=p3a0；sbit rw=p3a1;sbit en=p3a2;unsigned char code str1=temperature: ;unsigned char code str2口=;uchar data disdata5;uint tvalue;温度值 uchar tflag;/温度正负标志/*lcdi602程序 */void delay1ms(u

24、nsigned int ms)/延时 1 毫秒(不够精确的) unsigned int i,j;for(i=0;i0;i-) dq = 0; /给脉冲信号 dat=1;dq = 1;/给脉冲信号 if(dq) dat|=0x80;delay_18b20(10); return(dat);void ds1820wr(uchar wdata)/* 写数据 */ unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-) dq = 0;dq = wdata&0x01;delay_18b20(10);dq = 1; wdata=1;read_temp()/*读取温度值并转换*/uchar a,b;ds1820rst();ds1820wr(0xcc);/*跳过读序列号 */ ds1820wr(0x44);/*启动温度转换 */ ds1820rst();ds1820wr(0xcc)